CN102299873A - Eoc网络中物理层芯片及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EOC网络中的物理层芯片，其中功率谱模块接收帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号，并计算该信号的功率谱；频率扫描模块接收下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，频率扫描模块向上变频转换及插值模块输出中心频率和符号速率，向下变频转换和插值模块输出中心频率和符号速率；均衡与噪声抑制模块接收下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，并对该信号中的回波和窄带噪声进行抑制，然后输出均衡后的信号给解调器。本发明还公开了所述芯片的实现方法。本发明具有实时测量网络噪声的功能，并可有效抑制入侵噪声。

Description

EOC网络中物理层芯片及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种EOC(Ethernet Over Coax，同轴电缆以太网)网络中物理层芯片及其实现方法。

背景技术

EOC网络中，一个局端设备通过同轴电缆与多个用户端设备相连，其中的局端设备和用户端设备都具有相同的物理层芯片。物理层芯片工作在半双工状态，有发送状态、接收状态，工作状态由MAC芯片(MAC层是物理层的上一层)控制。

请参阅图1，现有的EOC网络中物理层芯片包括：模拟前端模块(analogfront end)、调制器(Modultor)、上变频转换及插值模块(Up Conversion &Interpolator)、帧检测与自动增益控制模块(Frame Detected & automatic gaincontrol)、下变频转换及插值模块(Down Conversion & Interpolator)、均衡与噪声抑制模块(Equlizer & Noise Cancel)、解调器(Demodulator)。其中，模拟前端通过接口IN、OUT与同轴电缆相连接，调制器通过接口MAX_TX与MAC芯片相连接，解调器通过接口MAC_RX与MAC芯片相连接。

图1所示的物理层芯片在发送状态时，MAC层将MAC包通过MAC_TX接口发送给调制器。调制器将MAC包封装在物理帧内并进行随机化和信道编码，信道编码后的码流生成基带信号。上变频转换及插值模块把基带信号按照发送中心频率上变频，然后通过插值滤波器，生成采样数据发送给模拟前端。模拟前端通过数模转换、低通滤波，放大后由接口OUT向同轴电缆输出。

图1所示的物理层芯片在接收状态时，同轴电缆上的数据通过IN接口达到模拟前端。模拟前端通过放大、滤波、模数转换后输出采样信号给帧检测与自动增益控制模块。帧检测与自动增益控制模块在输入的数据中检测出有用信号并自动调节该有用信号的增益。下变频转换及插值模块恢复与输入数据同步的符号速率，并按照该符号速率的倍数插值，生成几倍符号速率的采样信号，将几倍符号速率的采样信号下变频，生成基带信号，基带信号通过低通滤波器，降采样成一倍符号速率的基带信号。均衡与噪声抑制模块接着从一倍符号速率的基带信号中去除回波和窄带噪声，输出信号给解调器。解调器把均衡后的信号进行星座图判决，输出判决码流，然后进行信道解码，把解码后的码流去随机化，去除物理帧封装，组成MAC包通过MAC_RX接口输出给MAC层。

在EOC网络施工和网络维护时，需要实时测量网络的噪声，以便对网络进行改造和优化。而现有的EOC网络的物理层芯片没有网络噪声测量功能，因而无法根据噪声功率谱来智能选取或改变中心频率和符号速率，无法避开噪声大的频段。

现有的EOC网络中，数据的双向传输分为高频方案(用850MHz以上的频谱)和低频方案(用0～65MHz的频谱)，低频方案又分为单载波方案和多载波方案。其中，高频方案链路损耗大，覆盖范围小。多载波的低频方案对模拟电路的线性度要求高，不利于芯片的集成和降低成本。单载波的低频方案则具有高速、高可靠性、低成本的特点，因而得到了广泛应用。

在单载波的低频方案中，现有的EOC网络的物理层芯片没有很好的解决入侵噪声的问题。入侵噪声主要是多个窄带噪声的叠加，通常是由物理层芯片中的均衡与噪声抑制模块来加以抑制。

现有的均衡和噪声抑制模块请参阅图2，包括前馈均衡器(Feed ForwardEqualization)、反馈均衡器(Feed Backward Equalizer)、错误预测滤波器(Error Predictor)、判决或训练数据模块(data decision or train)。前馈均衡器的输入是下变频转换及插值模块的输出信号，反馈均衡器的输入是判决或训练数据模块的输出信号Data，前馈均衡器和反馈均衡器对各自的输入信号进行线性滤波后相加形成X_Filt信号。Err信号是X_Filt信号减去判决或训练数据模块的输出Data，Err信号是错误预测滤波器的输入信号，错误预测滤波器用过去的Err信号线性预测当前的窄带噪声信号即Err_Pred信号。X_Equ信号是X_Filt信号减去Err_Pred信号，X_Equ信号是判决或训练数据模块的输入，判决或训练数据模块对输入信号按照星座图进行判决并输出信号Data。发射机(局端设备或用户端设备中的一个)在发送用户数据之前都要发送一段已知数据作为训练数据，接收机(局端设备或用户端设备中的另一个)在接收训练数据时就称为训练数据状态，在接收用户数据时称为正常工作状态。DD_Err信号是X_Equ信号减去判决或训练数据模块的输出Data，DD_Err信号是前馈均衡器、反馈均衡器和错误预测滤波器系数自适应更新的错误信号，在图中用斜线表示。前馈均衡器和反馈均衡器都是自适应滤波器，都包括一组滤波器系数，这组系数都需要设定初始值，然后根据错误信号DD_Err自适应更新滤波器系数，最终收敛到一组最优值。现有的均衡器与噪声抑制模块由于没有计算滤波器系数的初始值，只是通过训练数据来训练或者盲训练，所以滤波器系数收敛速度慢，很难在实际中使用，因此无法对入侵噪声进行有效处理，使得EOC网络的通讯质量很容易受到入侵噪声的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种EOC网络中的物理层芯片，其具有实时测量网络噪声的功能，并可有效抑制入侵噪声。为此，本发明还要提供所述物理层芯片的实现方法。

为解决上述技术问题，本发明EOC网络中的物理层芯片包括调制器、上变频转换及插值模块、帧检测及自动增益控制模块、下变频转换及插值模块、解调器；还包括功率谱模块、频率扫描模块、均衡与噪声抑制模块；

所述功率谱模块接收帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号，并计算该信号的功率谱；

所述频率扫描模块接收下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，频率扫描模块向上变频转换及插值模块输出中心频率和符号速率，向下变频转换和插值模块输出中心频率和符号速率；

所述均衡与噪声抑制模块接收下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，并对该信号中的回波和窄带噪声进行抑制，然后输出均衡后的信号给解调器。

上述EOC网络中物理层芯片的实现方法包括功率谱模块计算功率谱的方法、频率扫描模块选取中心频率和符号速率的方法、均衡与噪声抑制模块计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数的方法。

所述所述功率谱模块计算功率谱的方法为：下变频模块将帧检测和自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号的估计频谱的频点下变频为零；下变频信号依次经过一个或多个低通滤波器和降采样模块，每个低通滤波器和降采样模块都对信号滤除高频分量和降采样一定倍数；最后信号通过信号功率模块，信号功率模块计算所述估计频谱的频点的功率。

所述频率扫描模块选取中心频率和符号速率的方法为：所述频率扫描模块包括指示寄存器、阈值寄存器和中心频率和符号速率寄存器；所述指示寄存器用来标识局端设备或用户端设备；所述阈值寄存器中具有判决阈值；所述中心频率和符号速率寄存器中具有多组中心频率和符号速率的组合；当指示寄存器标识为用户端设备时，该用户端设备上的频率扫描模块选取所述中心频率和符号速率寄存器中的第一组中心频率和符号速率，并以此计算接收的信号与训练数据的相关值；当该相关值的绝对值大于阈值寄存器中的阈值，则表示该组中心频率和符号速率就是局端设备采用的中心频率和符号速率，用户端设备以此与局端设备进行通信；否则该用户端设备选择所述中心频率和符号速率寄存器中的下一组中心频率和符号速率继续进行相关值计算、阈值比较直至找到局端设备采用的中心频率和符号速率。

所述均衡与噪声抑制模块计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数的方法为：在发送训练数据状态，信道估计模块用接收的信号与训练数据来计算信道的冲击响应；根据信道的冲击响应，系数初始化模块计算前馈和反馈均衡器的滤波器系数的初始值。

本发明EOC网络中的物理层芯片及其实现方法，通过功率谱模块可以实时计算网络噪声；通过频率扫描模块在局端设备上可以选取或改变中心频率和符号速率，在用户端设备上可以跟随局端设备的中心频率和符号速率；通过改进后的均衡与噪声抑制模块可以抑制入侵噪声。以上三方面综合应用即可自动避开噪声较大的频段进行通讯。

附图说明

图1是现有的EOC网络中物理层芯片的结构示意图；

图2是现有的均衡与噪声抑制模块的结构示意图；

图3是本发明EOC网络中物理层芯片的结构示意图；

图4是本发明所述功率谱模块的结构示意图；

图5是本发明所述频率扫描模块的结构示意图；

图6是本发明所述均衡与噪声抑制模块的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图3，本发明EOC网络中的物理层芯片包括：模拟前端、调制器、上变频转换及插值模块、帧检测及自动增益控制模块、功率谱(Power Spectrum)模块、下变频转换及插值模块、频率扫描(Frequency Sweep)模块、均衡与噪声抑制模块、解调器。

所述模拟前端是所述物理层芯片与同轴电缆的数据接口，一方面将上变频转换及插值模块发来的采样信号经过数模转换、低通滤波、放大后通过OUT接口发送到同轴电缆，另一方面通过IN接口从同轴电缆接收数据并经过放大、滤波、模数转换后输出采样信号发送给帧检测及增益控制模块。

所述调制器通过MAC_TX接口从MAC层接收MAC包，将MAC包封装在物理帧内并进行随机化和信道编码后生成基带信号，将基带信号发送给上变频转换及插值模块。

所述上变频转换及插值模块将基带信号按照发送中心频率上变频，然后通过插值滤波器，生成采样数据发送给模拟前端。

所述帧检测及自动增益控制模块接收模拟前端发来的采样信号，从中检测出有用信号，并自动调节该有用信号的增益，调节增益后的有用信号发送给功率谱模块和下变频转换及插值模块。所述有用信号或者是发射机发送的信号，或者是需要计算功率谱的信号。例如需要计算噪声的功率谱时，则有用信号为噪声。

所述功率谱模块接收帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号，并计算该信号的功率谱，计算结果存储在物理层芯片的寄存器中，MAC层可以读取该寄存器。

所述下变频转换及插值模块接收帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号，恢复与输入数据同步的符号速率(例如，发射机一秒钟发射100万个符号，接收机一秒钟也只能输出100万个符号，否则通讯就出错)，并按照该符号速率的倍数插值，生成几倍符号速率的中频信号，并将几倍符号速率的中频信号下变频生成几倍符号速率的基带信号，几倍符号速率的基带信号通过低通滤波器，降采样成一倍符号速率的基带信号。该一倍符号速率的基带信号发送给均衡及噪声抑制模块。

所述频率扫描模块的输入信号是下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，频率扫描模块向上变频转换及插值模块输出中心频率和符号速率，向下变频转换和插值模块输出中心频率和符号速率，输出的中心频率和符号速率记录在物理层芯片寄存器中。

所述均衡与噪声抑制模块对一倍符号速率的基带信号中的回波和窄带噪声进行抑制，然后输出均衡后的信号给解调器。

所述解调器对均衡后的信号进行星座图判决、信道解码、去随机化、去除物理帧封装，恢复出MAC包后通过MAC_RX接口输出给MAC层。

请参阅图4，本发明所述功率谱模块包括顺序相连的下变频(DownConversion)模块、一个或多个低通滤波器和降采样(Low-Pass Filter & DownSampler)模块、信号功率(Signal Power)模块。其中下变频模块把帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号进行频谱搬移(下变频)。低通滤波器和降采样模块对下变频后的信号进行一次或多次低通滤波，同时对信号降采样。信号功率模块计算降采样信号的功率。

请参阅图5，本发明所述频率扫描模块包括指示寄存器、阈值寄存器和一组中心频率和符号速率的寄存器。所有寄存器中都有预存的缺省值，MAC层芯片也可以对其写入编程。所述指示寄存器用来标识局端设备或用户端设备。所述阈值寄存器预存有判决阈值。所述中心频率和符号速率的寄存器中预存有多种中心频率和符号速率的组合。所述频率扫描模块进一步包括顺序相连的相关(Correlation)模块、绝对值(ABS)模块、阈值比较(Threshold Compare)模块。发射机在发送用户数据之前都要发送一段已知数据作为训练数据，接收机用训练数据做符号同步，训练均衡器的滤波器系数等。所述下变频转换及插值模块利用假定的中心频率和符号速率计算一倍符号速率的基带信号(上变频和插值模块需要知道中心频率和符号速率才能工作，如果不知道就假定一组，然后通过频率扫描模块计算来判断这个假定是否正确)，输出的数据可以分为两类：训练数据和用户数据。在发送训练数据状态，相关模块计算接收的信号和已知训练数据的相关值并发送给绝对值模块。绝对值模块计算相关值的绝对值并发送给阈值比较模块。阈值比较模块比较相关值的绝对值和预存的阈值的大小，如果相关值的绝对值大于阈值，那么假定的中心频率和符号速率和局端设备发射的中心频率和符号速率是一致的，否则就用下一组中心频率和符号速率进行检测。

请参阅图6，本发明所述均衡与噪声抑制模块进一步包括：前馈均衡器、反馈均衡器、错误预测滤波器、判决或训练数据模块、信道估计模块(ChannelEstimation)、系数初始化模块(Coefficient Init)。下变频转换及插值模块输出两类数据：训练数据和用户数据。在训练数据状态下，下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号除了发送到前馈均衡器之外，还发送给信道估计模块。信道估计模块根据来自下变频转换及插值模块的输入和已知的训练数据估计信道的冲击响应并发送给系数初始化模块。系数初始化模块利用信道的冲击响应计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数并分别发送给前馈均衡器和反馈均衡器。前馈均衡器和反馈均衡器采用系数初始化模块的输出初始化滤波器系数。前馈均衡器和反馈均衡器都是自适应滤波器，都包括一组滤波器系数，这组系数都需要设定初始值，然后根据错误信号自适应更新滤波器系数，最终收敛到一组最优值。滤波器系数的初值对滤波器的收敛速度影响很大，本发明通过估计信道响应，计算滤波器系数的初值，从而加快滤波器系数的收敛速度。在用户数据状态下，信道估计模块、系数初始化模块不做任何操作。

上述EOC网络中的物理层芯片的实现方法包括所述功率谱模块估计(即计算)信号或噪声的功率谱的方法、所述频率扫描模块选取或改变中心频率和符号速率的方法、所述均衡与噪声抑制模块计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数的方法。这些是在现有物理层芯片的实现方法的基础上新增加的。

请参阅图4，所述所述功率谱模块估计信号或噪声的功率谱的方法为：所述功率谱模块包括中心频率寄存器，MAC层芯片可以对其写入编程。下变频模块将帧检测和自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号下变频，把中心频率寄存器指定的频点下变频为零。下变频信号依次经过一个或多个低通滤波器和降采样模块，每个低通滤波器和降采样模块都对信号滤除高频分量和降采样一定倍数。最后信号通过信号功率模块，信号功率模块计算所述估计频谱的频点的功率。功率谱是一组功率，即信号在各个频点的一组功率值。

请参阅图5，所述频率扫描模块选取或改变中心频率和符号速率的方法为：当指示寄存器标识为用户端设备时，该用户端设备上的频率扫描模块选取第一组中心频率和符号速率，并以此计算接收的用户数据与训练数据的相关值(发射机在发送用户数据之前，都会发送一段已知的数据作为训练数据)。当该相关值的绝对值大于阈值寄存器中的阈值，则表示该组中心频率和符号速率就是局端设备采用的中心频率和符号速率，用户端设备以此与局端设备进行通信。否则该用户端设备选择下一组中心频率和符号速率继续进行相关值计算、阈值比较直至找到局端设备采用的中心频率和符号速率。

请参阅图6，所述均衡与噪声抑制模块计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数的方法为：发射机发送信号包括已知的训练数据和用户数据，在发送训练数据状态，信道估计模块用接收的信号与训练数据来计算信道的冲击响应。根据信道的冲击响应，系数初始化模块计算前馈和反馈均衡器的滤波器系数的初始值，前馈和反馈均衡器用这组初始值初始化滤波器系数。计算信道的冲击响应的方法、以及从信道的冲击响应计算前馈和反馈均衡器的滤波器系数的方法均为现有技术，在此不作赘述。

综上所述，本发明EOC网络中的物理层芯片在现有物理层芯片的基础上对均衡与噪声抑制模块进行了改变，同时增加了功率谱模块和频率扫描模块。所述功率谱模块可以计算噪声的功率谱。所述频率扫描模块在局端设备上可以选取或改变中心频率和符号速率，在用户端设备上可以跟随局端设备的中心频率和符号速率。所述均衡与噪声抑制模块可以抑制入侵噪声。以上三个模块综合运用，使得本发明所述物理层芯片及其实现方法可以自动避开噪声较大的频段进行通讯。

Claims (7)

1.一种EOC网络中的物理层芯片，包括调制器、上变频转换及插值模块、帧检测及自动增益控制模块、下变频转换及插值模块、解调器；其特征是，所述物理层芯片还包括功率谱模块、频率扫描模块、均衡与噪声抑制模块；

所述功率谱模块接收帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号，并计算该信号的功率谱；

所述频率扫描模块接收下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，频率扫描模块向上变频转换及插值模块输出中心频率和符号速率，向下变频转换和插值模块输出中心频率和符号速率；

所述均衡与噪声抑制模块接收下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号，并对该信号中的回波和窄带噪声进行抑制，然后输出均衡后的信号给解调器。

2.根据权利要求1所述的EOC网络中的物理层芯片，其特征是，所述功率谱模块包括顺序相连的下变频模块、一个或多个低通滤波器和降采样模块、信号功率模块；

所述下变频模块把帧检测与自动增益控制模块输出的调节增益后的有用信号进行下变频；

每个低通滤波器和降采样模块都对下变频后的信号进行一次或多次低通滤波，同时对信号进行降采样；

所述信号功率模块计算降采样信号的功率。

3.根据权利要求1所述的EOC网络中的物理层芯片，其特征是，所述频率扫描模块包括顺序相连的相关模块、绝对值模块、阈值比较模块；

在发送训练数据状态，所述相关模块计算接收的训练数据和已知训练数据的相关值；

所述绝对值模块计算相关值的绝对值；

所述阈值比较模块比较相关值的绝对值和预存的阈值的大小。

4.根据权利要求1所述的EOC网络中的物理层芯片，其特征是，所述均衡与噪声抑制模块包括前馈均衡器、反馈均衡器、错误预测滤波器、信道估计模块、系数初始化模块；

在发送训练数据状态下，所述下变频转换及插值模块输出的一倍符号速率的基带信号除了发送到前馈均衡器之外，还发送给信道估计模块；

所述信道估计模块根据来自下变频转换及插值模块的输入估计信道的冲击响应；

所述系数初始化模块利用信道的冲击响应计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数。

5.如权利要求2所述的EOC网络中物理层芯片的实现方法，其特征是，所述方法包括功率谱模块计算功率谱的方法，具体步骤为：

下变频模块将帧检测和自动增益控制模块输出的调节增益后的信号的估计频谱的频点下变频为零；

下变频信号依次经过一个或多个低通滤波器和降采样模块，每个低通滤波器和降采样模块都对信号滤除高频分量和降采样一定倍数；

最后信号通过信号功率模块，信号功率模块计算所述估计频谱的频点的功率。

6.如权利要求3所述的EOC网络中物理层芯片的实现方法，其特征是，所述方法包括所述频率扫描模块选取中心频率和符号速率的方法，具体步骤为：

所述频率扫描模块包括指示寄存器、阈值寄存器和中心频率和符号速率寄存器；所述指示寄存器用来标识局端设备或用户端设备；所述阈值寄存器中具有判决阈值；所述中心频率和符号速率寄存器中具有多组中心频率和符号速率的组合；

当指示寄存器标识为用户端设备时，该用户端设备上的频率扫描模块选取所述中心频率和符号速率寄存器中的第一组中心频率和符号速率，并以此计算接收的信号与训练数据的相关值；

当该相关值的绝对值大于阈值寄存器中的阈值，则表示该组中心频率和符号速率就是局端设备采用的中心频率和符号速率，用户端设备以此与局端设备进行通信；

否则该用户端设备选择所述中心频率和符号速率寄存器中的下一组中心频率和符号速率继续进行相关值计算、阈值比较直至找到局端设备采用的中心频率和符号速率。

7.如权利要求4所述的EOC网络中物理层芯片的实现方法，其特征是，所述方法包括均衡与噪声抑制模块计算前馈均衡器和反馈均衡器的初始化滤波器系数的方法，具体步骤为：

在发送训练数据状态，信道估计模块用接收的信号与训练数据来计算信道的冲击响应；

根据信道的冲击响应，系数初始化模块计算前馈和反馈均衡器的滤波器系数的初始值。

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